Wstęp
Efekt Coanda to zjawisko, w wyniku którego przepływający płyn (czyli również gazy, jeśli uznamy je za ciecze o bardzo małej lepkości) „przykleja się” do najbliższej mu powierzchni i pozostaje „przyklejony” mimo zmieniającej się jej krzywizny. Zjawisko to potrafi wywołać zaskakujące efekty, o czym w dalszej części materiału.
Odrobinę historii
Henri Coandă był rumuńskim inżynierem i konstruktorem lotniczym żyjącym w latach 1886 – 1972. Uważa się go za jednego z pionierów lotnictwa. Do jego zasług należy m.in. skonstruowanie pierwszego samolotu odrzutowego oraz odkrycie efektu będącego tematem artykułu. Jego imieniem nazwano międzynarodowe lotnisko w Bukareszcie.
Do odkrycia doszło w trakcie badań nad pierwszym na świecie odrzutowcem. Pan Henri zbudował drewniany samolot z zamontowanym napędem odrzutowym w postaci silnika tłokowego napędzającego sprężarkę, za którą następnie znajdowała się komora spalania. W komorze tej były dopalane spaliny z silnika z dodatkowym wtryskiem paliwa. Silnik ten w 1910 roku produkował około 220kgf ciągu czyli około 2160N. Poglądowy model budowy silnika znajduje się tutaj
Pierwszy lot odbył się 16 grudnia 1910 r. Niestety zakończył się wypadkiem. Gorące spaliny „przykleiły się” do powierzchni kadłuba co momentalnie spowodowało jego podpalenie. Całe szczęście nikt nie zginął, jednakże dalsze badania nad tym zjawiskiem zajęły Henremu 20 lat. Poniżej znajduje się fragment wywiadu z Henrym, w którym (w trakcie rozmowy z Martin Caidinem) opisuje swoje przeżycia z tamtego dnia (pod nim znajduje się tłumaczenie):
„In December, we brought the airplane out of its hangar at Issy-les-Moulineaux and, after a bit of coaxing, started the motor. I must admit that I was never a very outstanding pilot. I always seemed unable to shake off a vague apprehension and, that morning, in addition to my usual uneasiness, I was rather excited. I climbed into the cockpit, accelerated the motor, and felt the power from the jet thrust straining the plane forward. I gave the signal to remove the wheel blocks, and the plane started moving slowly ahead. I had anticipated that I would not attempt to fly today, but would make only ground tests on the small field at Issy-les-Moulineaux. The controls seemed too loose to me, so I injected fuel into the turbine. Too much! In a moment I was surrounded by flames! I had to cut back and reduce my power quickly. I worked the throttle and the flames subsided. Only then did I have opportunity to lift my head. I saw that the plane had gained speed, and that the walls of the ancient fortifications bordering the field were lunging toward me. I pulled back on the stick, only much too hard. In a moment the plane was airborne, lunging upward at a steep angle. I was flying—I felt the plane tipping—then slipping down on one wing. Instinctively, I cut the gas with my left hand and the jet fuel with my right. The next thing I knew, I found myself thrown free of the plane, which slowly came down, and burst into flames. It was impossible to determine from the wreckage whether the celluloid or the fuel was the cause of the fire. But the test was over. I had flown the first jet airplane.”
Tłumaczenie na język polski:
W grudniu, wyciągnęliśmy samolot z hangaru w Issy-les-Moulineaux. Następnie po chwili przygotowań uruchomiliśmy silnik. Muszę przyznać, że nigdy nie byłem wyróżniającym się pilotem. Zawsze wydawało mi się, że nie jestem w stanie otrząsnąć się z bliżej nieokreślonego niepokoju. Tego ranka poza tym, odczuwałem jeszcze ekscytację. Wskoczyłem do kokpitu, rozkręciłem silnik i poczułem moc strumienia odrzutowego ciągnącego samolot do przodu. Dałem sygnał do wyciągnięcia klocków spod kół, a samolot zaczął powoli kołować. Tamtego dnia nie zamierzałem latać, tylko wykonać kilka testów naziemnych. Stery wydawały się dla mnie zbyt luźne. Dodałem nieco paliwa do sprężarki… Za dużo!! Momentalnie zostałem otoczony płomieniami! Natychmiast odciąłem dopływ paliwa i zredukowałem moc silnika. Zapracowałem przepustnicą i płomienie ustąpiły. Dopiero teraz mogłem wychylić głowę z kokpitu. Zauważyłem, że samolot nabrał sporo prędkości, a mury antycznych fortyfikacji nieubłaganie się się do mnie zbliżały. Pociągnąłem drążek na siebie… nieco za mocno. W jednej chwili samolot wzniósł się w powietrze pod bardzo stromym kątem. Leciałem. Następnie poczułem przewracanie się samolotu na bok – zaraz potem ześlizgiwanie się na skrzydło. Instynktownie, lewą ręką odciąłem dopływ benzyny i prawą paliwo do silnika odrzutowego. Chwilę później wypadłem z samolotu, który powoli spadając stanął w płomieniach. Było niemożliwe wydedukowanie z wraku co było przyczyną pożaru – czy celluloid czy paliwo. Testy się skończyły. Leciałem pierwszym samolotem odrzutowym.
Jest to fragment wywiadu z Henri Coandą, który Martin Caidin opublikował pod tytułem „The Coanda Story” w czasopiśmie „Flying Magazine” w maju 1956 roku. Link
Jak to działa?
Swobodnie przepływający strumień (analogicznie do rzeki zabierającej muł) przyspiesza dotychczas nieruchome cząstki płynu w bezpośrednim otoczeniu tworząc wokół siebie „rurkę” niskiego ciśnienia. Powstałe w ten sposób siły wypadkowe stabilizują strumień w linii prostej
Jeśli w tym momencie do strumienia zostanie przyłożona płaska powierzchnia, to strumień „wciągnie” nieruchome cząstki między strumieniem a płytką. Spowoduje to dodatkowe (większe niż po drugiej stronie), niezrównoważone zmniejszenie ciśnienia po stronie płytki.
W wyniku tej różnicy, strumień odchyla się w stronę powierzchni i przylega do niej „dociskany” przez otaczające ciśnienie.
Strumień równie dobrze przylega do zakrzywionych powierzchni, ponieważ każda (nieskończenie mała) stopniowa zmiana w płaszczyźnie powierzchni powoduje dokładnie takie same efekty jak w poprzednio wymienionych punktach.
Jeżeli płaszczyzna nie jest zbyt mocno zakrzywiona, strumień może, w sprzyjających okolicznościach, przylegać do niej nawet po przepłynięciu w ten sposób kąta 180 stopni – czyli całkowicie zawrócić!
Siły które wymuszają te zmiany kierunku przepływu, wymuszają również powstanie identycznej, lecz o przeciwnym zwrocie siły na powierzchni po której płynie gaz/ciecz.
Powstałe w efekcie Coanda siły mogą być wykorzystane do wytwarzania siły nośnej i innych form ruchu, zależnie od orientacji strumienia i powierzchni do której przywiera.
Co ciekawe, mała przestrzeń między powierzchnią, a punktem w którym strumień zaczyna lecieć, zwiększa początkowe odchylenie strumienia. Jest to spowodowane faktem, że pomiędzy wypływającym strumieniem, a powierzchnią powstaje wir niskiego ciśnienia sprzyjający zakrzywianiu przepływu.
Współczesne zastosowania
Lata badań doprowadziły do szeregu aplikacji. Wykorzystuje się go między innymi do:
- Zwiększenia siły nośnej w niektórych samolotach, podczas lotów z małą prędkością, np AN-72 i AN-74 (zdjęcie po lewej).
W samolocie tym silniki są zamontowane tak, by strumienie wylotowe z silników przyklejając się do powierzchni skrzydeł zwiększały ich siłę nośną, co jednocześnie wpływa na nośność samolotu i jego minimalną prędkość lotu.
- Wentylatorach firmy Dyson. W urządzeniach tych wentylator znajduje się w podstawie, kierując powietrze do obręczy. Następnie gaz jest wydmuchiwany do jej wnętrza tak, by przy pomocy Efektu Coandy, przykleić się do jej wnętrza i „zassać” nieruchome powietrze z przestrzeni w środku pierścienia. W ten sposób ilość poruszonego powietrza jest o około 15 razy większa niż z klasycznego wentylatora. Poprawiając jego sprawność – a tym samym zużycie energii elektrycznej.
- Śmigłowce bez wirnika ogonowego firmy McDonnell Douglas MD-500N. Zastosowane rozwiązanie równoważy moment od wirnika w 60% dzięki zastosowaniu efektu Coanda. Pozostałe 40% jest równoważone przez statecznik oraz wyrzut powietrza przez dyszę (nr 5.)
- Zabawki oraz prototypowe pojazdy latające. Amerykańska armia pracowała w latach 50 nad projektem Avrocar. Film z archiwum US National Archives poniżej. Rysunek po prawej przedstawia typowy schemat budowy takiego urządzenia. W internecie można znaleźć szereg realizacji dronów tego typu.
Bardzo ciekawym zastosowaniem jest nowego typu napęd będący wciąż w fazie testów w firmie Jetoptera. Działa on praktycznie na tej samej zasadzie co wentylatory Dyson.
Aktualne wyniki badań są obiecujące (zwłaszcza, że wciąż mówimy o początkowej fazie badań). Producent deklaruje dla swojego najmocniejszego modelu współczynnik ciągu do wagi równy 5 (po prawej można zobaczyć schematyczny rysunek napędu). Dla porównania współczynnik ten dla konwencjonalnych silników wykorzystywanych we współczesnych samolotach liniowych wynosi odpowiednio:
Boeing 737-800: 5.0
Airbus A380: 5.5
Kolejnym atrakcyjnym parametrem nowego silnika jest jego spalanie. Jetoptera deklaruje zużycie paliwa na poziomie 7,39g na każdą 1kN ciągu na sekundę (g/kNs). Ponownie dla porównania, dla 737-800 mamy odpowiednio 9.1 g/kNs, a dla A380 14.8 g/kNs.
Podsumowanie
Odkrycie efektu Coanda mocno się przyczyniło do rozwoju lotnictwa. Najpowszechniejszym zastosowaniem jest mechanizacja skrzydeł – sloty i klapy szczelinowe – zestaw urządzeń poprawiających parametry aerodynamiczne skrzydeł. Przez lata powstało również wiele samolotów specjalnie zaprojektowanych by wykorzystać to zjawisko jak najbardziej jest to możliwe.
Każdego dnia możemy sami zaobserwować to zjawisko, gdy przykładając palec do lecącej wody z kranu zobaczymy jak strumień wody „przykleja się” do niego.
Historia badań zaowocowała również w ślepe uliczki jak cały projekt badań Avrocar.
Urządzenia bazujące na tym efekcie próbują coraz śmielej zajrzeć pod strzechy pod postacią dronów czy wentylatorów Dyson. Na horyzoncie, w niedalekiej przyszłości można dostrzec szansę pojawienia się powszechnego, efektywnego napędu lotniczego.
Uważam, że zjawisko to jest bardzo fascynujące. Kto wie, może w przyszłości zobaczymy jeszcze ciekawsze zastosowania? Dajcie znać co sami o tym myślicie w komentarzach :).
Bibliografia:
– http://www.thermofluids.co.uk/effect.php
– https://www.researchgate.net/publication/300470187_Study_on_Fluidic_Thrust_Vectoring_Techniques_for_Application_in_VSTOL_Aircrafts
– https://archive.nytimes.com/www.nytimes.com/interactive/2011/12/29/technology/personaltech/a-new-way-to-get-more-comfort-out-of-hot-air.html?emc=ctb1&nl=technology
– https://en.wikipedia.org/wiki/Air_multiplier
– https://en.wikipedia.org/wiki/Coand%C4%83_effect
– http://www.jetoptera.com/technology/
– https://patents.google.com/patent/US20170057647A1/en
– https://medium.com/history-of-yesterday/henri-coanda-the-real-inventor-of-the-jet-engine-3b1641bd0505
– https://en.wikipedia.org/wiki/Coand%C4%83-1910
